高纯纳米磷酸铁的制备及其催化性能和电化学性能的研究

来源 :上海第二工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hunterfall_horse
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本文以危险固体废弃物磷化渣为研究对象,探索其进行资源化的可行性。磷化渣是金属与磷化液表面发生化学反应产生的副产物,其中锌系磷化渣主要包含了磷酸铁、磷酸锌等少量磷酸盐和其他杂质,使用恰当的分离手段可以从锌系磷化渣中提纯出高纯磷酸铁,再通过对提纯出的磷酸铁(以下简称FP)进行表面形貌改性可以得到纳米磷酸铁材料。实验研究过程中主要尝试将提纯改性制备的纳米磷酸铁作为锂离子电池的正极材料和光芬顿实验中的催化剂,为磷化渣的再生利用寻找一条有经济价值的途径。本篇论文主要通过分析磷化渣的各元素成分后,进而提纯出高纯度磷酸铁,再对其进行表面改性,应用至正极材料及催化剂来研究其资源化可行性。首先采用氨水络合法去除其中的磷酸锌组分,随后使用筛网去除难溶性颗粒,最后在采用简单的水热法除去其他磷酸盐杂质,通过此粗提纯方式得到相对纯度较高的磷酸铁;然后在粗提纯的磷酸铁基础上进行表面改性,采用的方法主要为水热法,在温度和压力的条件下对磷酸铁进行分解再结晶。过程中通过控制水热温度、时间、表面活性剂、溶剂等因素来得到纳米级磷酸铁。最后对处理后的样品进行表征分析,如采用马尔文激光粒度仪(LPS)、X-射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱仪(FTIR)等。结果表明,在水热温度145℃、水热时间24 h、SDS投加量0.25 g时,再添加不同改性剂对磷酸铁进行表面改性,改性后的磷酸铁尺寸可达纳米级,研究结果表明,在实验中添加的改性剂为丙三醇时,其粒径达到最小,D10最小值可为0.013μm,D90粒度分布区间在80-200 nm;改性剂为丙二醇时,制备的磷酸铁尺寸分布最为均匀,粒径在100-300 nm,其厚度在7-80 nm;由XRD计算其晶体尺寸,丙三醇改性的磷酸铁尺寸为75.7 nm,丙二醇改性制备的磷酸铁尺寸为83.6 nm;SEM形貌观察中,丙二醇的形态最为规整,可观尺寸分布最为均匀。此上制备的纳米级磷酸铁作为催化剂用于催化降解废水中的染料以及作为正极材料前驱体合成磷酸铁锂研究其电化学性能。通过将单碳链一元醇溶剂改性剂制备的纳米级磷酸铁作为催化剂催化降解废水中的染料,其中催化体系的搭建为:将催化剂磷酸铁、H2O2、紫外光构建Fe2++UV+H2O2的光芬顿体系,通过降解模拟污染物罗丹明B来观察该体系对罗丹明B的降解效果,同时观察该体系中不同碳链改性制备后的磷酸铁对该体系的降解效果,并采用X-射线,扫描电镜等表征手段对其进行表征,分析其性能及原理。实验结果表明:当体系中紫外光、磷酸铁材料、H2O2同时存在时,光芬顿体系的降解活性最高,且该体系对浓度为10 mg/L以下的罗丹明B溶液均具有很快的降解速率。当磷酸铁材料为四碳链丁醇所改性时,降解速率与效果达到最佳,降解效果在40 min内达到97%;在相同的条件下,与未添加催化剂实验组降解效率仅为29.5%,两者相比较,加入丁醇改性的磷酸铁的催化剂将实验速率提高了67.5%;结果表明,在一定且适当的实验条件下,磷酸铁材料可作为催化剂与紫外光等构成光芬顿体系有效去除溶液中的罗丹明B染料,降解效果最高可以达到100%,可作为解决有机废水的途径。选取单碳链一元醇中降解效果较好的四组催化剂作为正极材料前驱体合成复合材料,研究其电化学性能,测试结果表明,丁醇改性的磷酸铁合成的磷酸铁锂电化学性能是为最优。选取其中几组尺寸相对小的纳米磷酸铁,与锂源碳酸锂、碳源葡萄糖等,采用碳热还原法制备磷酸铁锂。用X-射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)表征材料结构,以VERTEX.C.EIS型电化学工作站表征材料的电化学性能。同时将不同的多元醇溶剂改性得到的磷酸铁进行对比,分析其制备的正极材料磷酸铁锂的电化学性能,结论表示:在采用丙二醇改性所得到的磷酸铁合成的磷酸铁锂样品具有较好的电化学性能,与纯磷酸铁锂相比较,其电化学阻抗性能(EIS)及循环伏安性能(CV)更优异,同时,其容量在经过多次充放电后仍有较好的容量保持率,从实验结果可以说明改性后的磷酸铁作为磷酸铁锂的前驱体是具有可行性的,但由于原料本身含有较多杂质使得所制备的正极材料磷酸铁锂存在一定的缺陷,将其投入生产应用具有一定的阻力,需要将材料的颗粒尺寸更加均匀化,同时还需改善材料的形貌、杂质含量、磷铁比等因素。
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